CN107289996B - 复合式水文监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合式水文监测系统，其是将绳体的相对两端分别连接一配重件和一受测单元，并通过侦测配重件位置，以得知冲刷深度，同时其也可借由不同垂直位置上的感应组件，以测得水位高度和/或流速等。当配重件随河床下陷时，其会将绳体往下拉，使受测单元产生力学能变化，因而可通过侦测该力学能变化而得知河床下陷深度。此外，由于排列成一垂直列的多个感应组件会随着水面升降而产生信号变化，故可借由所产生的信号变化而得知水位变化。

Description

复合式水文监测系统
技术领域
本发明涉及一种复合式水文监测系统，特别涉及一种可侦测冲刷深度和水位高度和/或流速的复合式水文监测系统。
背景技术
传统的冲刷深度和水位高度测量主要是依靠人工检测，但人工检测的准确性却必须依赖检测人员的操作经验，且水上作业也威胁着检测人员的生命安全。
近年来，已陆续发展多种监测冲刷和水位状况的技术，例如现已发展的时域反射法，其可配合不同的导波器设计，以监测水位、冲刷等物理参数，其中还有人提出可采用结合类似地锚钢索的导波器设计，以解决安装实务和信号信号衰减等问题，但却仍有结构复杂且经济成本过高的缺点。另外，也有发展一种可监测河床冲刷深度和水流流速泥砂浓度的系统，其包含多个感测球、一中间设备和一运算装置，其中各感测球分别对应砂土层的不同深度，当被冲刷浮起时，内建的加速度计、水深压力计和定位单元分别可测得感测球的移动加速度、水深和位置，计算辨识量得的冲刷深度、水深、位置和在水深方向的流速分布，但此系统却有电路结构复杂、施工不易、经济成本过高、生存时数低等问题。
有鉴于上述缺失，目前亟需发展一种结构简单、低成本、施工容易且生存时数高的水文监测系统，以实时掌握洪水冲刷河床深度和洪水水位与流速。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种复合式水文监测系统，其可用于监测冲刷深度、水位高度、流速等，且结构简单、低成本、施工容易、生存时数高，有利于实时掌握防洪安全，并确保河流工程和海洋工程构造物的安全性。
为达上述目的，本发明提供一种复合式水文监测系统，其包括：一第一中空座体，其内部呈一第一容置空间，且侧壁上设有与该第一容置空间相连通的多个第一穿孔；一第二中空座体，设置于该第一容置空间中，其内部呈一第二容置空间，且侧壁上设有与该第一容置空间和该第二容置空间相连通的多个第二穿孔；一配重件，容设于该第二中空座体的该第二容置空间内，该配重件在重力作用下可在一垂直方向上移动；一受测单元，其随着该配重件在该垂直方向上移动而产生一力学能变化；一绳体，其连接该配重件和该受测单元，且该配重件在该垂直方向上移动时，通过该绳体而带动该受测单元产生该力学能变化；一第一感测单元，用以侦测该受测单元的该力学能变化，以产生一第一信号；一浮体，其可移动地套设于该绳体上；一第二感测单元，其包含多个感应组件，且所述感应组件在该垂直方向上以一预定间隔设置于该第一中空座体与该第二中空座体之间，其中该浮体可触动其对应位置上的该感应组件，使该第二感测单元产生一第二信号；和一信号处理单元，用以接收该第一信号和该第二信号，并将该第一信号转换成一冲刷深度数据值，且将该第二信号转换成一水流速数据值和一水位高度数据值中的至少一者。
此外，本发明更提供另一种复合式水文监测系统，其包括：一第一中空座体，其内部呈一第一容置空间，且侧壁上设有与该第一容置空间相连通的多个第一穿孔；一配重件，容设于该第一中空座体的该第一容置空间内，该配重件在重力作用下可在一垂直方向上移动；一受测单元，其随着该配重件在该垂直方向上移动而产生一力学能变化；一绳体，其连接该配重件和该受测单元，且该配重件在该垂直方向上移动时，通过该绳体而带动该受测单元产生该力学能变化；一第一感测单元，用以侦测该受测单元的该力学能变化，以产生一第一信号；一第二感测单元，其包含多个感应组件，且所述感应组件以一预定间隔排列在该垂直方向上，其中所述感应组件用以侦测其对应位置处环境状态以产生一第二信号；以及一信号处理单元，用以接收该第一信号和该第二信号，并将该第一信号转换成一冲刷深度数据值，且将该第二信号转换成一水位高度数据值和一水流速数据值中的至少一个。
据此，本发明的复合式水文监测系统可用于监测冲刷深度和水位高度/流速，以掌握防洪安全，确保河流工程和海洋工程构造物(如桥墩、堤防、钻油平台、离岸风力发电设施等)的安全性。例如，该第一和第二中空座体可直立插设于河床地上，其侧壁上的第一和第二穿孔可供水、沙泥等进出第一和第二中空座体的内部，当洪水冲刷河床时，该配重件在重力作用下会随河床遭冲刷掏空而下陷，并将绳体往下拉，导致该受测单元因绳体拉力作用而产生力学能变化，藉此即可通过第一感测单元以侦测该力学能变化，进而从绳体移动的长度而测得配重件的垂直位置，俾可得知河床冲刷深度。同时，由于浮体在浮力作用下将浮于水面上，故当水位改变时，浮体也随着水位改变而在垂直方向上移动，而浮体会触动第二感测单元中相应位置高度上的感应组件，藉此便可通过第二感测单元以测得浮体的垂直位置，进而可得知水位高度。此外，由于浮体在水的紊流作用下会因震动而触动感应组件产生信号变化，故也可藉此测得不规则信号变化程度而得知水流流速。或者，设置于不同垂直位置处的感应组件也可直接侦测其对应位置处的水理参数(如水温、水压、流速等)，进而得知水位高度、水流流速等。
在本发明中，上述的复合式水文监测系统更可包括一第三感测单元，其设置于该配重件处，用以侦测该配重件的移动，以产生一第三信号，其中该信号处理单元可将该第三信号转换成一参考数据值，且该参考数据值与冲刷深度、水流速和水位高度的至少一者相关。
在本发明中，该浮体并无特殊限制，只要其可触动对应位置处的感应组件即可，例如，若欲利用磁电原理以触动感应组件，则该浮体的侧面可设有磁性组件，但此仅为一举例说明，本发明并不限于利用磁电原理以触动感应组件。
在本发明中，该受测单元并无特殊限制，只要其可随该配重件在垂直方向上移动而产生力学能变化即可，例如，可利用该受测单元所产生的转动变化而得知配重件位置改变，也就是说，该受测组件可相对一中心轴旋转，且绳体相对于该中心轴而卷绕于该受测组件上，当该配重件向下移动时，该绳体因受该配重件的拉力而拉长，并带动该受测组件顺向转动。此外，为避免配重件下陷时过度拉扯绳体而导致绳体被拉长的长度大于配重件的移动量，该受测组件较佳借由一弹性回复机制，以提供回复弹力。举例说明，该受测单元可具有一壳体、一力学转盘、一涡形弹簧和一三爪内倾式机械耦合件，该力学转盘套设于该壳体的一轴心外，该涡形弹簧卷绕于该轴心外，并设于该力学转盘的一内侧，而该绳体则缠绕于该力学转盘的一外侧上，并且该三爪内倾式机械耦合件连接该力学转盘与该第一感测单元，三爪内倾式机械耦合件提供第一感测单元紧扣力学转盘，维护时可轻易拆卸与组装。藉此，该涡形弹簧可构成弹性回复机制，当该绳体被拉长的长度大于配重件向下移动的移动量时，该涡形弹簧可借由提供回复弹力，使力学转盘反向转动，以使绳体回卷至紧绷状态，以确保绳体被拉长的长度等于配重件的移动量，便可准确测得配重件的垂直位置。
在本发明中，该第一感测单元并无特殊限制，只要其可侦测受测单元所产生的力学能变化即可，例如，当受测单元所产生的力学能变化为转动变化时，则可使用旋转编码器作为该第一感测单元，且该旋转编码器可与该受测单元同步转动，藉此以侦测受测单元的转动情形。例如，本发明一具体实施方案所使用的旋转编码器为光学编码器，其具有一编码转盘、一光发射组件和一光接收组件，该编码转盘与该受测单元连接并同步旋转，而该光发射组件和该光接收组件则分别设置于编码转盘的相对两侧上。藉此，由于编码转盘上设有黑白相间的一个或多个码道，因此当该编码转盘随该力学转盘同步旋转时，该光发射组件所发出的光会因所述码道而产生“不透光”和“透光”状态，而光接收组件便可依此“不透光”和“透光”状态而产生脉冲信号，以作为第一信号，以将转动脉冲数输出，以供信号处理单元对该脉冲信号计数，进而得知转动情形。例如，在本发明一具体实施方案中，该第一感测单元可产生包含A相脉冲信号、B相脉冲信号、Z相脉冲信号的第一信号，藉此即可测得该受测单元的转动角度、转动方向(即顺向或反向转动)等。
在本发明中，该第二感测单元在不同垂直位置上设置感应组件，以进行多点测量，其中所述感应组件可设置于第一中空座体与第二中空座体之间，以侦测浮体状态，或者其可设置于绳体处，以侦测对应位置处的水理参数。例如，在本发明的一实施方案中，该浮体的侧面上可设有一具有高导磁率的磁性组件，以与感应组件发生磁电感应，进而产生第二信号。藉此，当水位改变时，浮体可在浮力作用下沿着绳体在垂直方向上移动，此时可通过第二信号判断该浮体是触动哪个位置上的感应组件，以确认该浮体移动后的所在位置，进而得知水位高度。举例来说，可将所述感应组件对称设置于该第二中空座体的至少两相对外侧上，以构成多个感应部，其中每一感应部具有排列成一垂直列的多个感应组件，以在不同垂直位置上与浮体侧面上具有高导磁率的磁性组件发生磁电感应。在此，所述感应组件可为磁力开关，且每一感应部的感应组件可并联在两条导线上，当浮体对应到相应位置上的磁力开关时，浮体上具有高导磁率的磁性组件会导致该对应的磁力开关闭合，进而使导线在该对应位置上导通，形成一导通回路。由于导线在不同位置导通会有不同电阻，故可从导通回路的两端测得不同电压值，藉此，通过所测得的电压信号即可确认浮体的所在位置。在此，为准确量得电压值，该第二感测单元较佳利用四线式量测法，以产生第二信号。或者，所述感应组件也可借由感应线圈，以与浮体上具有高导磁率的磁性组件产生磁电感应，也就是说，每一感应组件可具有一感应线圈围绕于第二中空座体，当浮体穿过该感应线圈时，浮体上具有高导磁率的磁性组件会对该感应线圈发生作用，使第二感测单元产生该第二信号。藉此，可通过侦测浮体穿过某个感应线圈时所引起的电性或磁性(如电感、电动势、磁力等)变化，以判定浮体的所在位置，进而得知水位高度。例如，该第二感测单元更可包含多个电感解算数位模块，以感测感应线圈的电感变化。同样地，由于浮体在水的紊流作用下也会因震动而导致电性或/和磁性变化，因此也可通过侦测电性或/和磁性变化情形以得知流速。此外，本发明的另一实施方案则在绳体的不同垂直位置处设置感应组件，以侦测各垂直位置所对应的物理参数(如温度、压力、流速等)。由于水面下与水面上会有不同的物理参数，甚至水面下各深度也会有不同的水温、水压、流速等，因此可借由感应组件(如温度计、压力计等)所测得的物理参数，以判断哪个位置上的感应组件位于水面处，进而可得知水位高度。
在本发明中，该信号处理单元可对接收到的第一信号和第二信号进行处理和转换，以借由配重件的垂直位置而获得冲刷信息(如冲刷深度)，同时可通过浮体在水流作用下所发生的垂直位置改变或/和震动情况，或者通过不同垂直位置处所测得的水理参数，以获得水流信息(如水位高度、流速等)。在此，本发明可采用磁力开关作为侦测浮体的感应组件，据此，该信号处理单元可包含一译码模块、一第一转换模块、一信号放大模块、一第二转换模块和一演算分析模块；或者，本发明也可采用感应线圈作为侦测浮体的感应组件，据此，该信号处理单元则可包含一译码模块、一第一转换模块、一解算传输模块、一第二转换模块和一演算分析模块。其中，该译码模块用以接收该第一信号，并将该第一信号处理成一译码信号；该第一转换模块用以接收该译码信号，并将该译码信号转变成该冲刷深度数据值；该信号放大模块/解算传输模块用以接收该第二信号，并将该第二信号处理成一放大信号/解算信号；该第二转换模块用以接收该放大信号/解算信号，并将该放大信号/解算信号转变成该水流速数据值和该水位高度数据值中的至少一者；该演算分析模块可对该冲刷深度数据值与该水位高度数据值作整合分析，以提出警报信号。在此，该译码模块可通过AB相译码电路，以读取第一感测单元所输出的脉冲信号，并对脉冲信号进行计数加以译码；该第一转换模块则可通过脉冲转换电路，将译码信号转换成冲刷深度；该信号放大模块可通过锁相放大技术，过滤掉噪声，以获得准确的电压值，而该解算传输模块则可采用分时多任务存取(TDMA)方式，使第二感测单元中的多个电感解算数位模块可共享传输介质，并各自在所属的指定时段内回传数据至该解算传输模块，以判断哪个感应线圈产生电感值变化并得知其电感变化值；该第二转换模块则可借由线电阻转换成位置，或者借由某个感应线圈电感值变化，以获得水位高度，而线电阻或感应线圈电感值变化频繁，则得水流速度；该演算分析模块将读进冲刷深度数据值与水位高度数据值作一综合分析，并可在下述3种状况下发出警报信号：(1)当冲刷深度数据值大于第一警戒阀值时，演算分析模块会发出警报信号，反之，当冲刷深度数据值小于第一警戒阀值时，则演算分析模块不会发出警报信号；(2)当水位高度数据值大于第二警戒阀值时，演算分析模块会发出警报信号,反之，当水位高度数据值小于第二警戒阀值时，演算分析模块不会发出警报信号；(3)若冲刷深度数据值小于第一警戒阀值时，且水位高度数据值小于第二警戒阀值时，但是冲刷深度数据值与水位高度数据值的总和值大于第三警戒阀值，则演算分析模块会发出警报信号；反之，若冲刷深度数据值小于第一警戒阀值时，且水位高度数据值小于第二警戒阀值时，但是冲刷深度数据值与水位高度数据值的总和值小于第三警戒阀值，则演算分析模块不会发出警报信号，其中第一警戒阀值、第二警戒阀值和第三警戒阀值分别为一设定参数。
在本发明中，该信号处理单元还可借由无线或有线传输方式，将上述的冲刷深度数据值、水位高度数据值、水流速数据值和警报信号传输至一接收端，更详细地说，该信号处理单元更可包含一通信模块，其用以接收该冲刷深度数据值、该水流速数据值、该水位高度数据值和该警报信号，并将该冲刷深度数据值、该水流速数据值、该水位高度数据值和该警报信号传输至一接收端。在此，该通信模块可每隔一预定时间读取冲刷深度数据值、水流速数据值和水位高度数据值，且当演算分析模块发出警报信号时，该通信模块可借由如简讯、电子邮件、音信息等方式，实时提醒管理人员。
附图说明
图1为本发明一具体实施例的复合式水文监测系统示意图；
图2为本发明一具体实施例的受测单元和第一感测单元示意图；
图3为本发明一具体实施例的受测单元分解示意图；
图4为本发明一具体实施例的第二感测单元用以侦测浮体的示意图；
图5为本发明一具体实施例的信号处理单元方块图；
图6为本发明一具体实施例的演算分析流程图；
图7为本发明另一具体实施例的第二感测单元示意图；
图8为本发明另一具体实施例的感应组件用以侦测浮体的示意图；
图9为本发明另一具体实施例的信号处理单元方块图；
图10为本发明一具体实施例的电感解算数位模块与解算传输模块的连接架构示意图；
图11为本发明另一具体实施例的配重件内设有第三感测单元的示意图；以及
图12为本发明另一具体实施例的复合式水文监测系统示意图。
符号说明
复合式水文监测系统 100
第一中空座体 10
第一容置空间 11
侧壁 13、23
第一穿孔 131
第二中空座体 20
第二容置空间 21
第二穿孔 231
配重件 31
第三感测单元 33
绳体 40
受测单元 50
壳体 51
轴心 511
力学转盘 53
卡孔 531
涡形弹簧 55
三爪内倾式机械耦合件 57
卡爪 571
端部 5711
连接轴 573
第一感测单元 60
编码转盘 61
透光狭缝 611
光发射组件 63
光接收组件 65
浮体 70
通孔 701
磁性组件 71
第二感测单元 80
第一感应部 801
第二感应部 803
感应组件 81
导线 83
电感解算数位模块 85
信号处理单元 90
译码模块 91
第一转换模块 92
信号放大模块 93
解算传输模块 94
第二转换模块 95
演算分析模块 96
通信模块 97
中心轴 C
第一信号 S1
第二信号 S2
第三信号 S3
位置 Y1、Y2、Y3、Y10
垂直方向 D1
河床地 G
水面 W
箭头 A、B
接收端 U
具体实施方式
以下借由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。只是需要注意的是，以下附图均为简化的示意图，附图中的组件数目、形状和尺寸可依实际实施状况而随意变更，且组件布局状态可更为复杂。本发明也可借由其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
请参见图1，其为本发明一具体实施例的复合式水文监测系统100示意图。如图1所示，本发明的复合式水文监测系统100包括一第一中空座体10、一第二中空座体20、一配重件31、一绳体40、一受测单元50、一第一感测单元60、一浮体70、一第二感测单元80和一信号处理单元90。该第一中空座体10可为一中空钢柱，其内部呈一第一容置空间11，且侧壁13上设有与该第一容置空间11相连通的多个第一穿孔131。该第二中空座体20可为一中空塑料管，设置于第一容置空间11中，其内部呈一第二容置空间21，且侧壁23上设有与第一容置空间11和第二容置空间21相连通的多个第二穿孔231。该配重件31可为一铅锤，其容设于该第二中空座体20的该第二容置空间21内，并可在一垂直方向D1上移动；该绳体40可为约30米长的钢线，其相对两端分别连接该配重件31和该受测单元50，当该配重件31因重力而在垂直方向D1上移动时，其可通过该绳体40而带动该受测单元50产生力学能变化。该第一感测单元60可侦测该受测单元50的力学能变化，以产生第一信号S1。该浮体70可为保丽龙，其中心处开设有通孔701，且侧面可设有磁铁片和高导磁性材质作为磁性组件71，该绳体40穿过该浮体70的通孔701，使浮体70包覆且可移动地套设于绳体40上，在浮力作用下，浮体70可沿着绳体40在垂直方向D1上移动，此外，浮体70也可在水的紊流作用下震动。该第二感测单元80包含多个感应组件81，且所述感应组件81在垂直方向D1上以一预定间隔设置于第一中空座体10与第二中空座体20之间，并固定在第二中空座体20的外侧上，其中第二中空座体20内的浮体70可通过其磁性组件71以触动其相对位置上的感应组件81，使第二感测单元80产生第二信号S2。该信号处理单元90可接收第一信号S1和第二信号S2，并将第一信号S1和第二信号S2分别转换成冲刷深度数据值和水位高度与流速数据值。
据此，本发明的复合式水文监测系统100可用于实时侦测洪水冲刷河床深度和洪水水位。当洪水冲刷淘空河床地G时，配重件31会往淘空处下沉，而绳体40被配重件31往下拉，进而带动受测单元50产生力学能变化，通过第一感测单元60测得力学能变化后，便可进一步得知配重件31的垂直位置，藉此测得河床冲刷深度。同时，浮体70在浮力作用下可浮在水面W上，当水面W高度改变时，浮体70的垂直位置也随水面W高度改变，且浮体70上的磁性组件71将触动第二感测单元80中相应位置高度上的感应组件81，藉此即可得知浮体70的垂直位置，进而测得水位高度，同时更可借由不规则信号变化的程度而得知水流流速。
下文将逐一详细说明该复合式水文监测系统100的各构件结构及其作用。
请参见图2和3，以进一步说明受测单元50与第一感测单元60的结构和作用。在此，本具体实施例以旋转式的受测单元50和第一感测单元60作进一步示例性说明。如图2所示的受测单元50与第一感测单元60示意图，该受测单元50与该第一感测单元60相互轴接，且绳体40相对于一中心轴C而卷绕于该受测单元50上，当受测单元50相对中心轴C旋转时，第一感测单元60也随该受测单元50同步旋转。更详细地说，如图3所示的受测单元50分解示意图，该受测单元50具有一壳体51、一力学转盘53、一涡形弹簧55和一三爪内倾式机械耦合件57，该壳体51的内部中心处设有一轴心511，该力学转盘53容置于壳体51内部，并套设于该壳体51的轴心511外，涡形弹簧55设于该力学转盘53的内侧，并卷绕于该轴心511外，以构成弹力回复机制，而绳体40则缠绕于力学转盘53的外侧上，且三爪内倾式机械耦合件57的一端借由三个卡爪571而嵌固于力学转盘53的卡孔531内，另一端则借由一连接轴573连接第一感测单元60(见图2)。在此，如图3所示，该三爪内倾式机械耦合件57的三个卡爪571都具有向内倾折的端部5711，藉此卡爪571的端部5711可垂直嵌入力学转盘53的卡孔531内，以利于拆卸与组装。此外，如图2所示，本具体实施例采用属于旋转编码器类型的光学编码器作为第一感测单元60，其具有一编码转盘61、一光发射组件63和一光接收组件65，其中编码转盘61与受测单元50的三爪内倾式机械耦合件57连接，而光发射组件63和光接收组件65分别设置于编码转盘61的相对两侧上。该编码转盘61上设有多个透光狭缝611，其可借由“透光”和“不透光”两种状态分别代表“1”和“0”的二进制代码。当光发射组件63所发射的光穿过透光狭缝611到达光接收组件65时，即产生代表“1”的信号；反之，当光发射组件63所发射的光未对应到透光狭缝611，导致光接收组件65未接收到光时，即产生代表“0”的信号。据此，借由对光接收组件65产生的101010…信号计数，即可得知转动情形。
此外，该编码转盘61可设有多个码道(圆周上黑白相间的一圈称为一码道，而图2仅绘示一圈透光狭缝作简单示意)，以产生包含A相脉冲信号、B相脉冲信号、Z相脉冲信号的第一信号，其中A相与B相的相位差为90度，通过比较A相在前或B相在前，得以判别编码转盘61为正转或反转，而Z相脉冲信号由只有一条透光狭缝的第三码道(Z)所产生，其为零位参考位。
藉此，当河床因冲刷而下陷时，配重件31(见图1)在重力作用下也随河床下陷，而绳体40则因受该配重件31的拉力而卷出拉长，进而带动受测单元50的力学转盘53顺向转动(如箭头A所示)，同时第一感测单元60的编码转盘61也随之同步顺向转动；为确保绳体40被拉出的长度等于下陷深度，受测单元50的涡形弹簧55(见图3)可提供回复弹力，当配重件31所拉出的绳体40长度大于下陷深度时，该力学转盘53在涡形弹簧55的弹性作用下可反向转动(如箭头B所示)，以将绳体40回卷至紧绷状态，而第一感测单元60的编码转盘61也随之同步反向转动。最后，经由对A相、B相和Z相脉冲信号计数，即可得知绳体40移动长度。
接着，请参见图4，以进一步说明浮体70与第二感测单元80间的作用关系。如图4所示，第二感测单元80的感应组件81对称设置于第一中空座体(图未示)的两相对内侧与第二中空座体(图未示)的两相对外侧之间，以构成一第一感应部801和一第二感应部803。在此，本第一个具体实施例采用磁力开关作为感应组件81的示例性说明，其中第一感应部801和第二感应部803的所述感应组件81在Y1、Y2、Y3…位置处分别并联在两条导线83上，且在垂直方向D1以约5公分之间隔距离排列成一垂直列。藉此，如图4所示，当浮于水面上的浮体70对应到相应垂直位置Y3上的感应组件81时，浮体70上的磁性组件71将触动Y3位置处的感应组件81，使第一感应部801和第二感应部803中的两条导线83分别在Y3位置处接通而形成导通回路，进而可由导通回路的两端测得一电压值。由于两条导线83在不同位置处导通会有不同的电阻，因此浮体70对应到不同位置的感应组件81时，即会产生不同的电压值，藉此即可由测得的电压值判断水面高度。在此，较佳是利用四线式量测方式，以测得准确的电压值。
接着，请参见图5所示的信号处理单元方块图，第一感测单元60和第二感测单元80所产生的第一信号S1和第二信号S2将传送到信号处理单元90，以进行信号处理。如图5所示，本第一具体实施例所采用的信号处理单元90包含一译码模块91、一第一转换模块92、一信号放大模块93、一第二转换模块95、演算分析模块96和一通信模块97。
当译码模块91接收到第一信号S1时，其可利用AB相译码电路，以将第一信号S1处理成译码信号。接着，第一转换模块92再利用脉冲转换电路，以将译码信号转变成冲刷深度数据值。此外，信号放大模块93在接收到第二信号S2时，则借由锁相放大技术，将第二信号S2处理成放大信号。更详细地说，如上所述，图4所示的感应组件81以约5公分的距离间隔设置，由于此位置变化所产生的电阻变化很小，受噪声和其他飘移干扰会很大，因此利用锁相放大技术，可过滤掉噪声，进而准确量得信号。接着，放大信号再利用第二转换模块95，借由线电阻转换成位置，以获得成水位高度和水流速数据值。随后，该演算分析模块96将对冲刷深度数据值和水位高度数据值作一综合分析，以提出警报信号，且演算分析模块96会将该警报信号和所读到的冲刷深度数据值、水位高度数据值和水流速数据值传送至通信模块97，而该通信模块97每隔一预定时间将读取上述数据值，并借由无线或有线传输方式，将上述数据值和警报信号传至接收端U，据此，该接收端U便可在屏幕上X轴和Y轴上分别表示冲刷深度和水位高度或流速，且当演算分析模块96发出警报信号时，该通信模块97可借由简讯、电子邮件、音信息等方式，及时提醒管理人员。
下文将进一步说明演算分析模块96对冲刷深度数据值X和水位高度数据值Y进行整合分析的流程，请参见图6，首先，演算分析模块96将判断冲刷深度数据值X是否大于第一警戒阀值hh(步骤S1)；当冲刷深度数据值X大于第一警戒阀值hh时，演算分析模块96会发出警报信号至通信模块97(步骤S2)；当冲刷深度数据值X小于第一警戒阀值hh时，则演算分析模块96将接着判断水位高度数据值Y是否大于第二警戒阀值yy(步骤S3)；当水位高度数据值Y大于第二警戒阀值yy时，演算分析模块96会发出警报信号至通信模块(步骤S4)；当水位高度数据值Y小于第二警戒阀值yy时，演算分析模块96将接着判断冲刷深度数据值X与水位高度数据值Y的总和值X+Y是否大于第三警戒阀值zz(步骤S5)；当总和值X+Y大于第三警戒阀值zz时，则演算分析模块96会发出警报信号至通信模块97(步骤S6)；当总和值X+Y小于第三警戒阀值zz，则演算分析模块96不会发出警报信号(步骤S7)，其中上述第一、第二和第三警戒阀值(hh,yy,zz)可为设定参数。
此外，请参见图7，其为第二感测单元80的另一实施方案示意图。如图7所示，可在第二中空座体20外侧的Y1、Y2、Y3…位置处分别缠绕上感应线圈，以作为感应组件81，当浮体70随着水面升降而穿过相应垂直位置上的感应线圈时，浮体70上具有高导磁率的磁性组件71会对相应的感应线圈发生作用，进而产生电性或/和磁性(如电感、电动势、磁力等)上的变化。藉此，可通过侦测浮体70穿过感应线圈时所引起的电性或磁性(如电感、电动势、磁力等)变化，以判定浮体70的所在位置。同样地，由于浮体70在水的紊流作用下也会因震动而导致电性或/和磁性变化，因此也可通过侦测电性或/和磁性变化以得知流速。在此，本第二个具体实施例以侦测电感值变化作示例性说明，请一并参见图8，每一感应组件81(即感应线圈)搭配一电感解算数位模块85，以进行感测。如图8所示，每一感应组件81(即感应线圈)的两端与电感解算数位模块85电性连接，藉此，当浮体70穿过该感应线圈时，感应线圈在浮体70上具有高导磁率的磁性组件71作用下将产生电感变化，而通过该电感解算数位模块85，即可解算出电感值，并输出包含有该感应线圈位置和电感值的第二信号S2。
接着，请参见图9，其为本第二具体实施例所采用的信号处理单元方块图。如图9所示，该信号处理单元90包含一译码模块91、一第一转换模块92、一解算传输模块94、一第二转换模块95、演算分析模块96和一通信模块97。在此，由于第一信号S1的信号处理程序与第一具体实施例所述相同，故不再赘述，以下仅针对第二信号S2的信号处理程序作进一步的说明。如图9所示，该解算传输模块94用以接收第二信号S2，并将第二信号S2处理成一解算信号，接着再借由第二转换模块95，将该解算信号转变成水流速数据值和水位高度数据值，随后再利用演算分析模块96进行第一具体实施例中所述的综合分析。
更详细地说，请一并参见图10，其为电感解算数位模块85与解算传输模块94的连接架构示意图。如图10所示，本第二具体实施例借由多个电感解算数位模块85，以感测垂直方向上Y1、Y2、Y3…位置处的电感变化，其中所述电感解算数位模块85通过防水接头87相互串接，并最终连接至解算传输模块94，藉此，所述电感解算数位模块85可共享传输介质，并可通过分时多任务存取(TDMA)方式，在各自所属的指定时段内回传数据至解算传输模块94。由于电感解算数位模块85所传送的第二信号S2包含有所属感应线圈的定位编号(ID)及其测得的电感值，因此，该解算传输模块94可根据第二信号S2，判断哪个感应线圈产生电感值变化，并得知其电感变化值，进而可借由第二转换模块95，以获得成水位高度和水流速数据值，同样地，通过侦测电感值变化情形，也可得知水流速。
此外，请参见图11，本发明还可在配重件31内设置一第三感测单元33，其中该第三感测单元33可根据该配重件31的移动产生信号变化，而该信号处理单元90可接收该第三感测单元33所产生的第三信号S3，并将该第三信号S3转换成与冲刷深度、水流速和水位高度的至少一者相关的参考数据值，以与第一信号S1所获得的冲刷深度数据值或/和第二信号S2所获得的水位高度/流速数据值再次比对，俾可确保数据正确性。在此，该第三感测单元33可为任何可用于辨别配重件31是否移动或其运动状态等的装置，如加速度计、影像传感器、温度计、陀螺仪等。
接着，请参见图12，其为本发明另一具体实施例的复合式水文监测系统200示意图，其包括一第一中空座体10、一配重件31、一绳体40、一受测单元50、一第一感测单元60、一第二感测单元80和一信号处理单元90。如图12所示，该复合式水文监测系统200的第一中空座体10、配重件31、受测单元50和第一感测单元60的配置和作动机制与图1至图3所述大致相同，主要不同处在于，该复合式水文监测系统200并未设置浮体，其直接利用设置于绳体40处的第二感测单元80，以测得水位高度、水流流速等。更详细地说，该第二感测单元80包含有多个感应组件81，其在垂直方向D1上以预定间隔设置于绳体40的Y1、Y2、Y3…位置处，由于绳体40的不同垂直位置处所处的周遭环境状态有所差异，故不同位置处的感应组件81可测得不同的物理参数(如温度、压力、流速等)，藉此，当该信号处理单元90接收到该第二感应单元80所产生的第二信号S2后，其可借由测得的参数值以判断哪个位置上的感应组件81位于水面W处，进而可得知水位高度。例如，可使用温度计或压力计作为感应组件81，以侦测不同垂直位置处的温度或压力，进而通过所测得的温度或压力值，以判断水位高度。此外，由于水面下各深度会有不同的流速，故绳体40的不同垂直位置处会受到不同的流速作用，藉此，也可利用感应组件81以侦测不同垂直位置处所对应的流速，甚至可通过流速分布以判断水位高度。同样地，该复合式水文监测系统200也可如图11所示更包括一第三感测单元33，以提供与冲刷深度、水流速和水位高度的至少一者相关的参考数据值，以与第一信号S1所获得的冲刷深度数据值或/和第二信号S2所获得的水位高度/流速数据值再次比对。
综上所述，本发明的复合式水文监测系统可借由配重件和浮体，以感测冲刷深度和水位高度/流速，具有结构简单、低成本、可靠度和稳定性高等优点，且使用在恶劣洪水期间，其可展现高生存时数，以确保防洪安全。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种复合式水文监测系统，包括：
一第一中空座体，其内部呈一第一容置空间，且侧壁上设有与该第一容置空间相连通的多个第一穿孔；
一第二中空座体，设置于该第一容置空间中，其内部呈一第二容置空间，且侧壁上设有与该第一容置空间和该第二容置空间相连通的多个第二穿孔；
一配重件，容设于该第二中空座体的该第二容置空间内，该配重件在重力作用下可在一垂直方向上移动；
一受测单元，其随着该配重件在该垂直方向上移动而产生一力学能变化；
一绳体，其连接该配重件和该受测单元，且该配重件在该垂直方向上移动时，通过该绳体而带动该受测单元产生该力学能变化；
一第一感测单元，用以侦测该受测单元的该力学能变化，以产生一第一信号；
一浮体，其可移动地套设于该绳体上；
一第二感测单元，其包含多个感应组件，且所述感应组件在该垂直方向上以一预定间隔设置于该第一中空座体与第二中空座体之间，其中该浮体可触动其对应位置上的该感应组件，使该第二感测单元产生一第二信号；以及
一信号处理单元，用以接收该第一信号和该第二信号，并将该第一信号转换成一冲刷深度数据值，且将该第二信号转换成一水位高度数据值和一水流速数据值中的至少一者。
2.如权利要求1所述的复合式水文监测系统，其中，该浮体的侧面设有一具有高导磁率的磁性组件，且该浮体借由该磁性组件而触动其对应位置上的该感应组件。
3.如权利要求2所述的复合式水文监测系统，其中，每一所述感应组件为一磁力开关或感应线圈。
4.如权利要求3所述的复合式水文监测系统，其中，所述磁力开关对称设置于该第二中空座体的至少两相对外侧上，以构成多个感应部，且每一所述感应部具有排列成一垂直列的所述磁力开关。
5.如权利要求3所述的复合式水文监测系统，其中，所述磁力开关并联在两条导线上，当该浮体触动其对应位置上的该磁力开关时，该磁力开关会与该两条导线形成一导通回路。
6.如权利要求5所述的复合式水文监测系统，其中，该信号处理单元借由锁相技术法，以对该第二信号进行信号处理。
7.如权利要求3所述的复合式水文监测系统，其中，该感应线圈围绕该第二中空座体，当该浮体穿过该感应线圈时，该浮体的该磁性组件会对该感应线圈发生作用，使该第二感测单元产生该第二信号。
8.如权利要求7所述的复合式水文监测系统，其中，该浮体穿过该感应线圈时，该感应线圈在该浮体的该磁性组件作用下产生电感变化。
9.一种复合式水文监测系统，包括：
一第一中空座体，其内部呈一第一容置空间，且侧壁上设有与该第一容置空间相连通的多个第一穿孔；
一配重件，容设于该第一中空座体的该第一容置空间内，该配重件在重力作用下可在一垂直方向上移动；
一受测单元，其随着该配重件在该垂直方向上移动而产生一力学能变化；
一绳体，其连接该配重件和该受测单元，且该配重件在该垂直方向上移动时，通过该绳体而带动该受测单元产生该力学能变化；
一第一感测单元，用以侦测该受测单元的该力学能变化，以产生一第一信号；
一第二感测单元，其包含多个感应组件，且所述感应组件以一预定间隔排列于该垂直方向上，其中所述感应组件用以侦测其对应垂直位置处的环境状态，以产生一第二信号；以及
一信号处理单元，用以接收该第一信号和该第二信号，并将该第一信号转换成一冲刷深度数据值，且将该第二信号转换成一水位高度数据值；
其中，由所述感应组件所测得的物理参数，判断位于水面处的所述感应组件，进而可得知水位高度。
10.如权利要求9所述的复合式水文监测系统，其中，所述感应组件设置在该绳体处。
11.如权利要求9所述的复合式水文监测系统，其中，所述感应组件为温度计或压力计。
12.如权利要求1至11中任一项所述的复合式水文监测系统，还包括：一第三感测单元，其设置于该配重件处，用以侦测该配重件的移动，以产生一第三信号，其中该信号处理单元可将该第三信号转换成一参考数据值，且该参考数据值与冲刷深度、水流速和水位高度的至少一者相关。
13.如权利要求1至11中任一项所述的复合式水文监测系统，其中，该力学能变化为该受测单元的一转动变化，而该第一感测单元用以侦测该受测组件的该转动变化。
14.如权利要求13所述的复合式水文监测系统，其中，该受测单元可相对一中心轴旋转，且该绳体相对于该中心轴而卷绕于该受测组件上，当该配重件向下移动时，该绳体因受该配重件的拉力而拉长，并带动该受测组件顺向转动。
15.如权利要求14所述的复合式水文监测系统，其中，当该绳体被拉长的长度大于该配重件向下移动的移动量时，该受测单元可借由一回复弹力而反向转动，使该绳体回卷至紧绷状态。
16.如权利要求15所述的复合式水文监测系统，其中，该受测单元具有一壳体、一力学转盘、一涡形弹簧和一三爪内倾式机械耦合件，该力学转盘套设于该壳体的一轴心外，该涡形弹簧卷绕于该轴心外，并设在该力学转盘的一内侧，而该绳体则缠绕于该力学转盘的一外侧上，该三爪内倾式机械耦合件连接该力学转盘与该第一感测单元。
17.如权利要求16所述的复合式水文监测系统，其中，该第一感测单元为一旋转编码器，其可与该受测单元同步旋转。
18.如权利要求1至11中任一项所述的复合式水文监测系统，其中，该信号处理单元包含有一演算分析模块，其能将该冲刷深度数据值与该水位高度数据值整合分析，以提出一警报信号。
19.如权利要求18所述的复合式水文监测系统，其中，该演算分析模块将读取该冲刷深度数据值与该水位高度数据值作一综合分析，并在下述状况下发出该警报信号：
(1)当该冲刷深度数据值大于一第一警戒阀值时，该演算分析模块会发出该警报信号，反之，当该冲刷深度数据值小于该第一警戒阀值时，则该演算分析模块不会发出该警报信号；
(2)当该水位高度数据值大于一第二警戒阀值时，该演算分析模块会发出该警报信号，反之，当该水位高度数据值小于该第二警戒阀值时，则该演算分析模块不会发出该警报信号；以及
(3)当该冲刷深度数据值小于该第一警戒阀值时，且该水位高度数据值小于该第二警戒阀值时，但是该冲刷深度数据值与该水位高度数据值的总和值大于一第三警戒阀值，则该演算分析模块会发出该警报信号；反之，若该冲刷深度数据值小于该第一警戒阀值时，且该水位高度数据值小于该第二警戒阀值时，但是该冲刷深度数据值与该水位高度数据值的总和值也小于该第三警戒阀值，则该演算分析模块不会发出该警报信号，其中该第一警戒阀值、该第二警戒阀值和该第三警戒阀值分别为一设定参数。
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